JP3894805B2

JP3894805B2 - 排熱回収方法および排熱回収システム

Info

Publication number: JP3894805B2
Application number: JP2002030882A
Authority: JP
Inventors: 洋藤本
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2002-02-07
Filing date: 2002-02-07
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2022-02-07
Also published as: JP2003227314A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コジェネレーションシステムなどに用いるために、ディーゼルエンジン、スターリングエンジン、ミラーサイクルガスエンジンなどのエンジンとか、燃料電池などから発生する排熱を回収して電力や動力を取り出す排熱回収方法および排熱回収システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のシステムとしては、従来一般に、エンジンから発生する排気ガスとの熱交換により水蒸気を発生させ、この水蒸気で水蒸気タービンを駆動して動力や電力を得るように構成されている。
ところが、水蒸気を発生させた後の排ガスの温度が 200℃以上もあるにもかかわらず、何ら利用されずに捨てられていた。また、同様に、エンジンからのエンジン冷却後のジャケット冷却水も、その温度が85℃以上あるにもかかわらず、何ら利用されずに捨てられていた。
【０００３】
このような問題を解消するものとして、本出願人は、特開平１１−３５０９２０号公報に開示されるものを提案した。
この公報例のものによれば、図２の従来例の概略構成図に示すように、エンジン０１を冷却した後のジャケット冷却水により水とそれよりも沸点が低いアンモニアから成るアンモニア−水系混合流体を加熱して再生器０２でアンモニア−水系混合流体のアンモニア蒸気を発生させ、その再生器０２で発生した蒸気を吸収冷凍機の作動熱源に利用するように構成している。
【０００４】
また、エンジン０１からの排気ガスの高温排熱により高温蒸気発生装置０３で水蒸気を発生させ、その水蒸気で水蒸気タービン０４を駆動するとともに、水蒸気タービン０４を経た水蒸気を復水器０５に戻すように構成している。
更に、吸収冷凍機の凝縮器０６からの低温蒸気成分と吸収器０７からのアンモニア−水系混合流体との混合液を、熱交換器０８により、高温蒸気発生装置０３を経た排ガスで加熱し、アンモニア−水系混合流体の蒸気を発生させ、その蒸気によって蒸気タービン０９を駆動し、水蒸気タービン０４および蒸気タービン０９を同軸にして発電機０１０を駆動するように構成している。
【０００５】
そして、吸収冷凍機の蒸発器０１１において、冷凍用媒体取り出し配管０１２を介して７〜８℃以下の低温の冷凍用媒体などの冷熱を取り出すようにしている。更に、蒸発器０１１と復水器０５とを冷却水配管０１３を介して接続し、７〜８℃以下の低温のアンモニア−水系混合流体の低温蒸気成分で復水器０５を冷却し、水蒸気を水に戻すように構成している。
【０００６】
また、上記構成に改良を加え、動力のみを取り出すようにしてシステム構成を安価にするものをも提案している（特願２００１−１７２８１号）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した公報例および提案例の場合のいずれにおいても、水蒸気を作動媒体とする系と、アンモニア−水系混合流体を作動媒体とする系とをそれぞれ独立した回路で構成し、高温の水蒸気によって水蒸気タービン０４を作動し、水蒸気よりも低温のアンモニア系蒸気によって蒸気タービン０９を作動している。
【０００８】
このため、水蒸気を水に戻す復水器０５と、アンモニア系蒸気を液化する凝縮器０６とを必要とし、また、水蒸気を作動媒体とする系では、純水を用いるために純水ポンプや純水化装置が必要であり、構成部品点数が多くなって高価になる問題がある。
【０００９】
また、水蒸気を作動媒体として水蒸気ランキンサイクルを構成する水の場合では、復水器０５で水蒸気を水に戻すときに負圧になるため、復水器０５への外気の侵入を防止するために、シール構造や真空ポンプとして高性能のものが必要になって高価になる。更に、純水ポンプの駆動に動力を要するなど、設備コストおよび運転コストが高くなり、改善の余地があった。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、請求項１および請求項２に係る発明は、安価な構成で排熱を有効に回収できるようにすることを目的とし、また、請求項３に係る発明は、構成簡単にして動力を取り出せるようにすることを目的する。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上述のような問題を解決するために鋭意研究をした結果、次のような知見を得た。
すなわち、アンモニア−水系混合流体においてアンモニア濃度が減少する程性質が水に近づき、その低濃度のアンモニア−水系混合液を蒸発させれば水蒸気と同様の高温蒸気を発生させることができる、ということを見出すに至った。
本発明は、上記の点に着目しながら、排熱回収効率を向上したものである。
【００１２】
請求項１に係る発明の排熱回収方法は、上述のような目的を達成するために、循環回路内に封入されたアンモニア−水系混合流体を低温排熱と熱交換した後、アンモニア濃度が高い高濃度流体と、濃度が低い低濃度流体とに分離し、分離された高濃度流体を供給して低温蒸気タービンを駆動し、かつ、分離された低濃度流体を高温排熱と熱交換して高温蒸気を発生させ、その高温蒸気を供給して高温蒸気タービンを駆動する排熱回収方法であって、
分離された低濃度流体を、高温排熱と熱交換させる前に、低温排熱と熱交換させる前のアンモニア−水系混合流体と熱交換して温度を低下させ、その低温の低濃度流体によって、過給機を経た燃焼用空気を冷却することを特徴としている。
【００１３】
高温排熱と低温排熱とは、例えば、ガスエンジンの高温排ガスとジャケット冷却水とから成る組み合わせ、あるいは、高温排ガスから熱を回収するときに最初に熱交換する排熱と、その熱交換後の低温部分と熱交換する排熱とから成る組み合わせとか、燃料電池において、反応ガスの排熱と冷却水の排熱とから成る組み合わせなど、要するに、温度の異なる二種の排熱のうち、温度の高い側の排熱を高温排熱と称し、温度の低い側の排熱を低温排熱と称する。
【００１４】
（作用・効果）
請求項１に係る発明の排熱回収方法の構成によれば、アンモニア−水系混合流体からアンモニア濃度が低い低濃度流体を分離して水に近い性質の流体を得、その低濃度流体を高温排熱と熱交換して水蒸気と同等の高温蒸気を発生させ、その高温蒸気により高温蒸気タービンを駆動する。一方、アンモニア−水系混合流体からアンモニア濃度が高い高濃度流体を分離し、それにより従来同様に低温蒸気タービンを駆動する。
また、分離された低濃度流体の熱を低温排熱と熱交換させる前のアンモニア−水系混合流体に回収させ、それによって温度の低下した低温の低濃度流体で過給機を経た燃焼用空気を冷却する。
この構成により、高温蒸気タービンを駆動する作動媒体と低温蒸気タービンを駆動する作動媒体として同じアンモニア−水系混合流体を用いることができるから、水による専用の回路を構成せずに済み、純水ポンプや純水装置を不用にできるとともに、蒸気を液化するための復水器などの個数を半減でき、更に、従来の水蒸気系の回路におけるような真空度を維持するためのシール構造や真空ポンプとして高性能のものが不用になり、設備コストを低減できる。
また、純水ポンプの駆動を不用にできて運転コストも低減でき、全体として経済性を大幅に向上できる。
そのうえ、このような排熱回収において、分離された低濃度流体の熱を低温排熱と熱交換させる前のアンモニア−水系混合流体に回収するから、排熱回収効率を向上でき、更に、低温になった低濃度流体を、過給機を経た燃焼用空気の冷却に利用するから、燃焼用空気を冷却する冷却水の供給量を減少できる。
【００１５】
また、請求項２に係る発明の排熱回収システムは、上述のような目的を達成するために、
アンモニア−水系混合流体が封入された循環回路と、
アンモニア濃度が高い高濃度流体と、濃度が低い低濃度流体とに分離する流体分離手段と、
前記循環回路に設けられて前記流体分離手段に供給されるアンモニア−水系混合流体を低温排熱と熱交換して低温蒸気を発生させる低温蒸気発生装置と、
前記循環回路に設けられて前記流体分離手段で分離された低濃度流体を高温排熱と熱交換して高温蒸気を発生させる高温蒸気発生装置と、
前記高温蒸気発生装置から取り出される高温蒸気を供給して駆動される高温蒸気タービンと、
前記低温蒸気発生装置から取り出される低温蒸気を供給して駆動される低温蒸気タービンと、
過給機を備えたエンジンとを備えた排熱回収システムであって、
前記流体分離手段と高温蒸気発生装置とを接続する配管に介装されて前記低温蒸気発生装置に供給される前のアンモニア−水系混合流体によって低濃度流体の熱を回収する予熱用熱交換器と、
前記配管の前記予熱用熱交換器よりも下流側に介装されて前記予熱用熱交換器を経た低濃度流体の冷熱により前記過給機を経た燃焼用空気を冷却するインタークーラーとを備えて構成する。
【００１６】
（作用・効果）
請求項２に係る発明の排熱回収システムの構成によれば、ひとつの循環回路内に封入されたアンモニア−水系混合流体からアンモニア濃度が低い低濃度流体を流体分離手段で分離して水に近い性質の流体を得、その低濃度流体を高温蒸気発生装置で高温排熱と熱交換して水蒸気と同等の高温蒸気を発生させ、その高温蒸気により高温蒸気タービンを駆動する。一方、アンモニア−水系混合流体からアンモニア濃度が高い高濃度流体を流体分離手段で分離し、それにより従来同様に低温蒸気タービンを駆動する。
また、予熱用熱交換器により、分離された低濃度流体の熱を低温排熱と熱交換させる前のアンモニア−水系混合流体に回収させ、それによって温度の低下した低濃度流体の冷熱によりインタークーラーで過給機を経た燃焼用空気を冷却する。
この構成により、高温蒸気タービンを駆動する作動媒体と低温蒸気タービンを駆動する作動媒体として、一つの循環回路内に封入した同じアンモニア−水系混合流体を用いることができるから、水による専用の回路を構成せずに済み、純水ポンプや純水装置を不用にできるとともに、蒸気を液化するための復水器などの個数を半減でき、更に、従来の水蒸気系の回路におけるような真空度を維持するためのシール構造や真空ポンプとして高性能のものが不用になり、かつ、コンパクトに構成でき、設備コストを大幅に低減できる。
また、純水ポンプの駆動を不用にできて運転コストも低減でき、全体として経済性を大幅に向上できる。
そのうえ、このような排熱回収において、分離された低濃度流体の熱を低温排熱と熱交換させる前のアンモニア−水系混合流体に予熱用熱交換器で回収するから、排熱回収効率を向上でき、更に、インタークーラーにより、低温になった低濃度流体を、過給機を経た燃焼用空気の冷却に利用するから、燃焼用空気を冷却する冷却水の供給量を減少できる。
【００１７】
また、請求項３に係る発明の排熱回収システムは、上述のような目的を達成するために、
請求項２に記載の排熱回収システムにおいて、
高温蒸気タービンと低温蒸気タービンとを同一駆動装置の駆動源に構成する。
【００１８】
（作用・効果）
請求項３に係る発明の排熱回収システムの構成によれば、濃度が異なるだけで、一つの循環回路内に封入した同じアンモニア−水系混合流体を作動媒体とする高温蒸気タービンと低温蒸気タービンとで同一駆動装置を駆動する。
従来のように作動媒体が異なっている場合、水蒸気系の回路にアンモニア−水系混合流体が混入することを回避するために両タービン間でのシール構造として高精度のものを用いる必要があったが、この請求項３に係る発明の構成によれば、高温蒸気タービンと低温蒸気タービンとが、一つの循環回路内に封入した同じ作動媒体であるアンモニア−水系混合流体であるから、混入による弊害が無く、両タービン間でのシール構造として簡単な構成で済み、構成簡単にして動力を取り出すことができ、経済性をより向上できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明に係る排熱回収方法の実施に供する排熱回収システムの実施例を示す概略構成図であり、過給機ＴＣを備えたエンジン１に、カップリング２を介して発電機３が連動連結されている。
【００２０】
過給機ＴＣに排ガス配管４が接続され、その排ガス配管４に、高温蒸気発生装置としての蒸気ボイラ５が介装され、エンジン１から取り出される排ガスの熱によって、後述する配管系で構成される循環回路内に封入されたアンモニア−水系混合流体のうちのアンモニア濃度が低い低濃度流体の蒸気、すなわち、ほぼ水蒸気と同等の蒸気を発生するように構成されている。図中６は、ＮＯｘ成分を除去する脱硝装置を示している。
【００２１】
蒸気ボイラ５の一方には、アンモニア−水系混合流体からアンモニア濃度が低い低濃度流体を分離する流体分離手段としての分留器７が第１のポンプ８を介装した第１の配管９を介して接続され、蒸気ボイラ５の他方には、高温蒸気タービン１０が第２の配管１１を介して接続されている。
【００２２】
高温蒸気タービン１０には、復水器１２が第３の配管１３を介して接続されている。復水器１２と分留器７とが、第２のポンプ１４を介装した第４の配管１５を介して接続されている。
【００２３】
上記構成により、分留器７→第１の配管９→蒸気ボイラ５→第２の配管１１→高温蒸気タービン１０→第３の配管１３→復水器１２→第４の配管１５→分留器７という、アンモニア−水系混合流体の低濃度流体の蒸気（ほぼ水蒸気）のランキンサイクルが構成されている。
これにより、分留器７により分離したアンモニア−水系混合流体の低濃度流体を蒸気ボイラ５に供給し、その蒸気ボイラ５で発生させた水蒸気とほぼ同等のアンモニア−水系混合流体の低濃度流体の蒸気によって高温蒸気タービン１０を駆動するとともに、高温蒸気タービン１０を経た後の蒸気を復水器１２で液化するようになっている。
【００２４】
分留器７には、第５の配管１６を介して低温蒸気タービン１７が接続されている。第３の配管１３の途中箇所と低温蒸気タービン１７とが第６の配管１８を介して接続されている。
【００２５】
第４の配管１５の第２のポンプ１４の下流側箇所と分留器７とが第７の配管１９を介して接続され、その第７の配管１９の途中箇所に第１の低温蒸気発生装置２０が介装され、この第１の低温蒸気発生装置２０に、第３のポンプ２１を介装した、エンジン１からのエンジン冷却後のジャケット冷却水を取り出す冷却水配管２２が伝熱可能に接続されている。また、排ガス配管４の蒸気ボイラ５の下流側に、蒸気ボイラ５を経た後の排ガスからの排熱を取り出す第２の低温蒸気発生装置２３が介装され、その第２の低温蒸気発生装置２３に、第４の配管１５が伝熱可能に接続されている。
【００２６】
上記構成により、分留器７→第５の配管１６→第６の配管１８→第３の配管１３→復水器１２→第４の配管１５→第２の低温蒸気発生装置２３→分留器７、および、分留器７→第５の配管１６→第６の配管１８→第３の配管１３→復水器１２→第７の配管１９→第１の低温蒸気発生装置２０→分留器７という、水よりも低温で蒸発を開始するアンモニア−水系混合流体のアンモニアの高濃度流体による動力回収サイクルが構成されている。この動力回収サイクルには、第２の低温蒸気発生装置２３で蒸発させた後に分離されるアンモニア−水系混合流体のアンモニアの高濃度流体の蒸気も利用される。
【００２７】
これにより、ジャケット冷却水の熱、ならびに、蒸気ボイラ５を経た後の排ガスの熱（約 200℃）によって、第１および第２の低温蒸気発生装置２０，２３でアンモニア−水系混合流体の気液混合蒸気を発生させ、分留器７でアンモニア−水系混合流体の気液混合蒸気からアンモニアの高濃度流体による低温蒸気を分離し、その低温蒸気成分によって低温蒸気タービン１７を駆動するとともに、低温蒸気タービン１７を経た後の低温蒸気成分を復水器１２で液化するようになっている。
【００２８】
排ガス配管４の蒸気ボイラ５の下流側に、蒸気ボイラ５を経た後の排ガスからの排熱を取り出す低温蒸気発生装置２３が介装され、その低温蒸気発生装置２３に、第７の配管１９の第２のポンプ１５の下流箇所と分留器１７とを接続する第４の配管１５が伝熱可能に接続され、蒸気ボイラ５を経た後の排ガスからの排熱（約 200℃）によってアンモニア−水系混合流体の高温の気液混合蒸気を発生させ、分留器１７に供給するようになっている。
【００２９】
過給機ＴＣからエンジン１に燃焼用空気を供給する給気管２５に第１および第２のインタークーラーＣ１，Ｃ２が設けられ、その第１のインタークーラーＣ１に、第１の配管９の高温蒸気タービン１０と復水器１２との中間箇所が導入され、復水器１２から高温蒸気タービン１０に供給される水の冷熱を燃焼用空気の冷却に利用するように構成されている。また、第２のインタークーラーＣ２には冷却水供給管２５が導入され、第１のインタークーラーＣ１で所望の冷却が行えないときに不足分の冷却を行うようになっている。
復水器１２にも、クーリングタワーからの冷却水供給管２６が導入されている。
【００３０】
第７の配管１９には、第１の低温蒸気発生装置２０よりも上流側で予熱用熱交換器２７が介装され、この予熱用熱交換器２７に第１の配管９が導入され、分留器７から蒸気ボイラ５に供給されるアンモニア−水系混合流体のアンモニアの低濃度流体の熱を回収し、排熱回収効率を向上できるように構成されている。
【００３１】
高温蒸気タービン１０および低温蒸気タービン１７が同一の動力取出軸２７に設けられ、その動力取出軸２８に駆動装置としての発電機２９が連動連結されている。駆動装置としては、発電機２９に限らず、ポンプや圧縮機や各種の機械装置が適用できる。また、高温蒸気タービン１０および低温蒸気タービン１７それぞれに個別に動力取出軸を設け、その動力取出軸それぞれに個別に駆動装置を連動連結するようにしても良い。
【００３２】
次に、上記実施例の排熱回収システムのシミュレーションの結果について説明する。
出力 6,000kwで効率40％、空気比 1.7のエンジン１を用い、第２の低温蒸気発生装置２３への入口での排ガス温度が 200℃、ジャケット冷却水から第１の蒸気発生装置２０への入熱がエンジン１の入力エネルギーの20％であるとした。また、低温蒸気タービン１７の断熱効率が80％、発電機２８の発電効率が90％であるとした。
【００３３】
上記の結果、低温蒸気タービン１７（高温蒸気タービン１０を除く）で得られる発電量は、エンジン１の入力エネルギーの約 2.3％であった。これは、本出願人が先に提案した排熱回収システム（特願２００１−０１７２８１号）に比べて５％以内の低下で済むことが明らかであった。
この結果、本発明では、出力をほとんど低下させずに構成を簡単にできるとともに動力消費量を減少でき、イニシャルコストおよびランニングコストのいずれをも低下できることが明らかであった。
【００３４】
【００３５】
【００３６】
【００３７】
【００３８】
【００３９】
【００４０】
【００４１】
【００４２】
【００４３】
【００４４】
上述エンジン１としては、ミラーサイクルガスエンジンやディーゼルエンジンやスターリングエンジンなど各種のガスエンジンを用いることができる。
【００４５】
また、上記実施例では、エンジン１によって発電機３を駆動して電力を取り出す、いわゆるコジェネレーションシステムを示したが、エンジン１によって各種の機械装置を駆動する場合にも適用できる。
【００４６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように請求項１に係る発明の排熱回収方法および請求項２に係る発明の排熱回収システムによれば、高温蒸気タービンを駆動する作動媒体と低温蒸気タービンを駆動する作動媒体として同じアンモニア−水系混合流体を用いることができるから、水による専用の回路を構成せずに済み、純水ポンプや純水装置を不用にできるとともに、蒸気を液化するための復水器などの個数を半減でき、更に、従来の水蒸気系の回路におけるような真空度を維持するためのシール構造や真空ポンプとして高性能のものが不用になり、かつ、コンパクトに構成でき、設備コストを大幅に低減できる。
また、純水ポンプの駆動を不用にできて運転コストも低減でき、全体として経済性を大幅に向上できる。
そのうえ、このような排熱回収において、分離された低濃度流体の熱を低温排熱と熱交換させる前のアンモニア−水系混合流体に回収するから、排熱回収効率を向上でき、更に、低温になった低濃度流体を、過給機を経た燃焼用空気の冷却に利用するから、燃焼用空気を冷却する冷却水の供給量を減少できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る排熱回収システムの実施例を示す概略構成図である。
【図２】従来例の排熱回収システムを示す概略構成図である。
【符号の説明】
１…エンジン
５…蒸気ボイラ（高温蒸気発生装置）
７…分留器（流体分離手段）
１０…高温蒸気タービン
１７…低温蒸気タービン
２０…第１の低温蒸気発生装置
２３…第２の低温蒸気発生装置
２７…予熱用熱交換器
２９…発電機（駆動装置）
Ｃ１…第１のインタークーラー
ＴＣ…過給機

Claims

循環回路内に封入されたアンモニア−水系混合流体を低温排熱と熱交換した後、アンモニア濃度が高い高濃度流体と、濃度が低い低濃度流体とに分離し、分離された高濃度流体を供給して低温蒸気タービンを駆動し、かつ、分離された低濃度流体を高温排熱と熱交換して高温蒸気を発生させ、その高温蒸気を供給して高温蒸気タービンを駆動する排熱回収方法であって、
分離された低濃度流体を、高温排熱と熱交換させる前に、低温排熱と熱交換させる前のアンモニア−水系混合流体と熱交換して温度を低下させ、その低温の低濃度流体によって、過給機を経た燃焼用空気を冷却することを特徴とする排熱回収方法。
アンモニア−水系混合流体が封入された循環回路と、
アンモニア濃度が高い高濃度流体と、濃度が低い低濃度流体とに分離する流体分離手段と、
前記循環回路に設けられて前記流体分離手段に供給されるアンモニア−水系混合流体を低温排熱と熱交換して低温蒸気を発生させる低温蒸気発生装置と、
前記循環回路に設けられて前記流体分離手段で分離された低濃度流体を高温排熱と熱交換して高温蒸気を発生させる高温蒸気発生装置と、
前記高温蒸気発生装置から取り出される高温蒸気を供給して駆動される高温蒸気タービンと、
前記低温蒸気発生装置から取り出される低温蒸気を供給して駆動される低温蒸気タービンと、
過給機を備えたエンジンとを備えた排熱回収システムであって、
前記流体分離手段と高温蒸気発生装置とを接続する配管に介装されて前記低温蒸気発生装置に供給される前のアンモニア−水系混合流体によって低濃度流体の熱を回収する予熱用熱交換器と、
前記配管の前記予熱用熱交換器よりも下流側に介装されて前記予熱用熱交換器を経た低濃度流体の冷熱により前記過給機を経た燃焼用空気を冷却するインタークーラーと、
を備えたことを特徴とする排熱回収システム。
請求項２に記載の排熱回収システムにおいて、
高温蒸気タービンと低温蒸気タービンとを同一駆動装置の駆動源に構成してある排熱回収システム。